三葉式自動清換種大豆育種氣吸排種器設計與試驗

陳海濤 王洪飛 王業成 史乃煜 魏志鵬 竇玉寬

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

大豆育種試驗是獲得優質新品種的先決條件，對大豆品種改良、良種繁育具有重要意義，通過小區試驗選育出優質高產的大豆品種，是保證糧食安全的重要途徑[1-2]。播種過程是小區育種試驗的重要環節之一，排種器是播種機的核心部件，其排種性能直接影響品種繁育試驗結果的準確性與科學性[3]。氣力式排種器以其在種子適應性、排種精度、作業效率等方面的優勢被大多數高速精密播種機所采用[4-6]。隨著育種公司和科研單位對育種機械需求的日益增加，研制高性能大豆育種排種器具有重要意義。

19世紀80年代，我國研究機構在引進國外小區播種機的基礎上，開展了小區播種機的研究工作[7-8]。國內小區播種機代表機型有佟超[9]提出的ZXJB-4型小區精密播種機，中國農業科學院與北京農業大學共同設計的NKXB-1.4型小區條播機，何彥等[10]研發的2XBX-2.0型懸掛式小區條播機，黃珊珊[11]研制的2BXJ系列大豆小區育種精量播種機，許鵬曉等[12]研制的錐體帆布帶式小區播種機等。我國小區育種播種機受研究領域及應用區域的影響，沒有統一的技術標準，未形成推向市場的系列產品，現有作業機型多為由大田播種機改裝而成的純機械形式，清換種采用人工方式，作業速度較低，這在很大程度上制約了小區育種機械的快速發展。

奧地利Wintersteiger公司研制的氣吸式小區單粒播種機，其核心部件為隔離閥門的種室，清換種時閥門快速旋轉，在負壓作用下殘余種子被吸附清理，且排種器安裝單獨的電力驅動裝置，可實現單行獨立播種的作業效果；丹麥HALDRUP公司研制的哈德普SR-30小區單粒播種機，其排種器動力來源于電機動力裝置，集成了播種定位控制器(GSC)電子監控技術和GPS定位系統，確保了試驗育種的準確性；美國的Almaco公司和SRES公司、法國的Baural公司以及巴西的Maquinarium公司等[13]研制的小區精密播種機，通過智能控制系統控制排種器完成小區試驗播種工作，實現了小區播種的自動化。但國外小區播種機的排種器價格較為昂貴，且與我國的農藝要求不符，難以適應我國小區育種技術模式。

根據我國大豆育種農藝的要求，為解決現有排種器無法高速作業與清換種技術等問題，設計一種三葉式自動清換種大豆育種氣吸排種器，以期實現基于單片機控制系統的指令、電機驅動齒輪式排種盤和三葉式輔助充種清換種機構協同動作，完成在每個小區之間不停機快速清理剩余種子和更換種子的工序。通過探究作業速度、真空度、清換種時間對排種器性能的影響規律，確定滿足大豆育種要求的最佳工作參數范圍，為大豆育種氣吸排種器設計提供參考。

1 結構與工作原理

1.1 整體結構

三葉式自動清換種大豆育種氣吸排種器整體結構如圖1所示，主要由排種器前殼體總成、排種器后殼體總成、齒輪式排種盤、電機動力源組成。排種器前殼體總成主要由三葉式輔助充種清換種機構、三葉式輔助充種清換種機構驅動電機、限位端蓋、雙自由度組合式刮種機構、種室殼體、種子喂入器和毛刷擋板構成。排種器后殼體總成主要由氣室密封環、氣室殼體、齒輪式排種盤安裝架、氣流導管構成。

圖1 氣吸排種器結構簡圖Fig.1 Structure diagram of air-suction seed meter1.三葉式輔助充種清換種機構驅動電機 2.限位端蓋 3.三葉式輔助充種清換種機構 4.雙自由度組合式刮種機構 5.齒輪式排種盤 6.氣室密封環 7.氣室殼體 8.氣流導管 9.電機動力源 10.齒輪式排種盤安裝架 11.毛刷擋板 12.種室殼體 13.種子喂入器

種室殼體設計時，既希望其能夠實現充種功能又能實現清換種功能，需要一個殼體同時完成多個動作，產生了物理矛盾，TRIZ理論解決物理矛盾的方法主要有時間分離、空間分離和條件分離，本研究運用空間分離原理，在輔助充種清換種機構作用下，將種室殼體分成有交集的清換種室與充種室[14-15]。形成相互串聯的3個工作區域，分別為換種區域、送種區域和殘余種子區域，其中送種區域與充種室相通。

1.2 工作原理

三葉式自動清換種大豆育種氣吸排種器的工作過程如圖2所示。排種器準備工作時，控制系統命令排種器進行復位動作，確保各機構處在準備工作位置。工作時，首先將第n個小區種子通過種子喂入器注入清換種室內的換種區域內，如圖2a所示，三葉式輔助充種清換種機構在驅動電機帶動下，帶動種子逆時針旋轉120°，到達清換種室中的送種區域，種子進入充種室與齒輪式排種盤接觸，齒輪式排種盤與鑲嵌在氣室殼體上的氣室密封環接觸形成氣室，由風機提供的負壓將種子吸附在排種盤上，排種盤帶動種子旋轉，經過清種區域時，在雙自由度組合式刮種機構作用下，清理排種盤型孔處吸附多余的種子，完成單粒送種，降低排種器重播率，排種盤繼續旋轉將種子運至攜種區和排種區，完成精量播種，如圖2b所示；在播種第n個小區的種子時，將第n+1個小區的種子通過種子喂入器注入換種區域內，停留等待，如圖2c所示，作業時，控制系統檢測計算機具已作業長度，當第n個小區未播種長度所需要的種子數量為排種盤上吸附的種子時，三葉式輔助充種清換種機構同時帶動第n個小區剩余的種子和第n+1個小區等待播種的種子繼續逆時針旋轉120°，將剩余的第n個小區種子運送至殘余種子區域，通過清理機構將剩余種子進行清理，同時排種盤繼續工作，將排種盤吸附上的種子播種完畢，確保達到第n個小區的作業長度；此時第n+1個小區等待播種的種子到達清換種室的送種區域與排種盤接觸，排種器持續播種第n個小區種子時的動作，完成第n+1個小區種子的精量播種，如圖2d所示。后續每個小區播種以此過程為一個周期循環工作，實現了在相鄰小區之間不停機快速清、換種工作，提高了育種試驗的工作效率。

圖2 排種器工作原理圖Fig.2 Working schematics of seed metera.充種區 b.清種區 c.攜種區 d.排種區 Ⅰ.換種區 Ⅱ.殘余種子區 Ⅲ.送種區

2 關鍵部件設計與分析

2.1 大豆種子物理力學特性

在育種試驗過程中，不同地區及每個小區之間試驗品種有所差異，種子的物理特性對排種器關鍵部件的設計與分析至關重要。選取常見大豆品種“吉育302”、“黑河43”和“黑農45”種子為研究對象，含雜率小于0.1%，含水率均小于13%，將大豆種子視為橢球形進行研究，分析種子等效直徑。每個品種隨機抽取200粒，利用精度為0.01 mm游標卡尺對每粒種子長、寬、厚進行測量，計算出種子的平均等效直徑，結果如表1所示。運用斜面儀測量種子與樹脂材料間的最大靜摩擦角為12.9°(含水率13%)。

表1 大豆種子物理特性參數Tab.1 Physical characteristics of soybean seeds mm

2.2 雙自由度組合式刮種機構設計

小區育種與大田播種有所差異，需保證育種試驗的準確性，通過刮種機構精準清理排種盤型孔處吸附的多余種子，保證在攜種區域內每個型孔吸附單粒種子，達到育種試驗防止混雜和精量播種的要求[16-18]。目前常見的刮種裝置主要有橡皮刮板式、彈性杠桿式、鋸齒形刮板式、光滑曲線滑塊管板式及雙柱杠桿式等[19-20]。針對小區育種的特點，本文設計了雙自由度組合式刮種機構。

2.2.1刮種機構安裝位置

清種環節作為排種器工作過程中重要環節之一，其位置的確定直接影響清種效果，決定排種器的播種質量。刮種刀工作位置應在排種盤穩定充種之后，且保證清理掉的種子不干擾正常狀態的種子順利返回充種區，具體位置分析如圖3所示。

圖3 刮種機構安裝位置分析圖Fig.3 Analysis of installation position of seed cleaning mechanism

假設刮種刀安裝位置在點a，以排種盤中心為原點建立直角坐標系，由圖3分析可得d1和d2為

d1=rcosδ

(1)

(2)

式中δ——初始安裝位置角度，(°)

r——型孔中心點a到排種盤中心距離，mm

n1——排種盤型孔數

d1——型孔中心點a到x軸垂直距離，mm

d2——型孔中心點b到x軸垂直距離，mm

刮種機構工作時，應該使相鄰型孔處留有足夠的間距，需要滿足間距da大于2倍最大種子等效直徑。本文中最大種子為黑河43，等效直徑7.29 mm，將種子近似圓形處理分析，除型孔處吸附的多余種子外，其他種子形心與其對應的型孔重合，因此刮種刀安裝位置應滿足

(3)

代入相應數據，求得δ>67°。如圖3所示，第一象限與第二象限種子分布情況關于y軸對稱，因此刮種刀安裝位置角度應為67°～113°，為了留有足夠的充種時間，使種子穩定吸附在型孔上，本文選取刮種機構安裝角度為第一象限85°，通過毛刷擋板將清理掉的多余種子送回充種室。

2.2.2刮種機構結構參數

刮種機構是排種器關鍵部件之一，其性能直接影響排種器的重播指數，刮種機構結構如圖4a所示，由雙圓柱刮種刀、銷軸、Z軸調節滑塊、法蘭螺母、刻度盤、調節連桿、驅動連桿和開口銷構成。

圖4 雙自由度組合式刮種機構Fig.4 Schematics of two-degree-of-freedom combined seed cleaning mechanism1.雙圓柱刮種刀 2.銷軸 3.Z軸調節滑塊 4.法蘭螺母 5.刻度盤 6.驅動連桿 7.調節連桿 8.開口銷

工作時，調節法蘭螺母預緊力，從而改變刻度盤與滑塊間對種室殼體的夾持力，使刮種器在Z軸上滑動，進行刮種機構整體位置調節，確保雙圓柱刮種刀對稱分布在排種盤型孔中心所在的基圓上。以鉸鏈點O為中心，旋轉刻度盤，通過連桿帶動刮種刀繞X軸旋轉，完成對雙圓柱刮種刀到排種盤型孔中心所在的基圓距離的調節。通過調節刮種機構在Z軸方向與繞X軸的兩個自由度，確保雙圓柱刮種刀的每個圓柱都處于工作位置，避免因為誤差導致的單側工作，從而保證了清種效果，完成單粒精量播種。

2.3 排種盤設計

2.3.1排種盤直徑

排種盤直徑是排種器的基本特征參數之一，其大小決定排種器安裝布置、結構尺寸和性能，在充種過程中，型孔停留在充種區域時間越長，越有利于種子被吸附在型孔上，即充種性能越好，為了研究排種盤直徑對充種時間的影響，建立影響充種時間t的方程組

(4)

式中α——充種區角度，(°)

ω——排種盤角速度，rad/s

N——排種盤轉速，r/min

l——粒距，mm

v——播種機作業速度，m/s

整理公式(4)得

(5)

由式(5)可知，充種時間t與作業速度v、粒距l、型孔數n1、充種區角度α有關，在速度v、粒距l、充種區角度α為定值時，充種時間t只與型孔數n1有關，而與排種盤直徑無直接關系。

隨著排種盤直徑的增大，型孔數增多，可以增大種子在充種區停留的時間，但型孔數越多，需要風機提供的負壓增大，從而導致能耗過高，并且排種盤直徑決定排種器整體結構尺寸，綜合考慮選取排種盤直徑D=170 mm。

2.3.2型孔尺寸及其數量

排種器型孔的大小直接決定排種器的充種性能，與大田播種相比較，在小區育種試驗過程中，每個小區內播種的種子差異性顯著。結合表1得出，東北地區具有代表性大豆種子平均等效直徑集中分布在6.2～7.6 mm之間。

型孔孔徑K計算式為[21]

K=(0.6～0.7)d

(6)

式中d——球形大豆種子直徑，mm

參照大豆氣吸排種器排種盤吸孔直徑參照表[22]，型孔孔徑范圍為3.6～5.3 mm，型孔孔徑選取4.5 mm。

型孔數量與播種機作業速度、株距、排種盤直徑有關，在不影響排種器性能與整機結構的前提下，型孔數量盡量多，但是當型孔數量增加時，需要風機提供的負壓越大。因小區播種的特殊性，需在每個小區之間快速頻繁通斷氣壓，完成清換種子工作，負壓過大，導致氣室恢復到大氣壓與從大氣壓達到所需負壓的時間增長，從而影響了在每個小區不停機清換種子的時間。結合每個小區的播種量較少與作業速度較低等特點，綜合選擇型孔數量為27個。

2.4 基于EDEM的三葉式輔助充種清換種機構設計

針對小區作業技術模式農藝要求，解決大豆小區育種過程中頻繁清換種和少量種子能順利被排種盤吸附難題，設計了三葉式輔助充種清換種機構，如圖5所示。在相鄰小區之間隔離帶處，三葉式輔助充種清換種機構驅動電機帶動此機構逆時針旋轉120°，完成小區之間快速充種和清換種工作。小區播種時，每個小區的播種量非常少，需要排種器具有極好的充種性能，確保種室內僅剩一粒種子時也能精準充種，此三葉式機構由于傾角的存在，將種室內的種子聚集在排種盤型孔附近，避免因種子散落在距離排種盤較遠的種室內而無法被吸附，同時通過葉片對種子施加利于被型孔吸附的支持力，輔助完成排種器充種，提高排種器充種性能。

圖5 三葉式輔助充種清換種機構結構示意圖Fig.5 Structure of three-leaf auxiliary seed filling and replacing mechanism

采用EDEM虛擬仿真軟件對其傾角結構加以分析。結合大豆種子物理特性測定結果與機構的力學特性，創建大豆籽粒離散模型和不同葉片傾角φ的三葉式輔助充種清換種機構幾何模型，運用EDEM軟件進行輔助充種性能模擬實驗，根據實際工作情況設置軟件相應參數[23-24]，全局變量參數如表2所示，大豆種子表面光滑，無黏附力，選擇Hertz-mindlin (no-slip)模型為仿真接觸模型。

分析不同葉片傾角φ對充種性能的影響，結果如圖6所示。葉片傾角φ為0°時，種子隨機散落在機構里，此時葉片對大豆種子的支持力方向與種子所受重力方向相反，且部分種子距離排種盤型孔較遠，不利于被型孔吸附，如圖6a所示；葉片傾角φ為13.5°時，種子聚集在排種盤型孔處，大豆種子受到垂直于排種盤和與重力方向相反的分力，垂直于排種盤的分力有助于型孔處的負壓對大豆種子的吸附，從而提高排種器的充種性能，如圖6b所示；葉片傾角φ大于等于14.5°時，種子受到垂直于排種盤和與重力方向相反的分力，但是由于機構自身尺寸限制出現死角，導致出現卡種現象，如圖6c所示。結合小區育種時種子數量較少特點和種子物料特性分析結果，選取葉片傾角φ為13.5°。

表2 全局變量參數Tab.2 Pre-treatment parameters setting

圖6 EDEM虛擬仿真試驗結果Fig.6 EDEM virtual simulation test results

工作時，控制系統發出清、換種指令，通過電機帶動三葉式輔助充種清換種機構工作，將剩余的種子送至殘余種子區，待播種子運送至清換種室內送種區，實現對剩余種子的清理及待播種子的更換，同時在葉片傾角作用下，大豆種子向排種盤型孔靠攏，便于被排種盤順利吸附，輔助待播種子完成快速充種過程，確保排種器具有極好的充種性能。

2.5 充種區力學分析

在三葉式輔助充種清換種機構作用下，將種子近似視為橢球體，種子即將被吸附在排種盤上時，以種子的質心為原點建立三維直角坐標系，如圖7所示。其中坐標平面xOy中受力分析如圖7a所示，x軸正向為種子受到的阻力方向，y軸正向為種子受到離心力的反向，經過排種盤中心。對yOz平面進行受力分析，如圖7b所示，所受負壓吸附力方向為z軸正向。充種時，隨著排種盤順時針轉動，種子受到吸孔吸附力FP、三葉式輔助充種清換種機構的支持力N以及重力G和種子間摩擦阻力F。

圖7 輔助充種受力分析圖Fig.7 Stress analysis of auxiliary seed filling

沿z軸正向建立動力學方程

ma=Fp+Qsinθ-Fcosα

(7)

(8)

(9)

式中m——單粒種子質量，g

a——種子向型孔方向移動的加速度，m/s2

Q——種子受支持力合力，N

θ——支持力合力與重力反方向夾角，(°)

α——種子受摩擦力與z軸負方向夾角，(°)

Δp——型孔處氣壓差，kPa

κ——種子受吸附力影響的正系數

Qx——種子受支持力在x方向上的分力，N

Qy——種子受支持力在y方向上的分力，N

Qz——種子受支持力在z方向上的分力，N

Qxy——種子受支持力在xOy平面上的合力，N

為了保證種子有效地被型孔吸附，其受合力應沿型孔軸線方向，即種子向型孔方向移動的加速度a>0，由式(7)～(9)可知

(10)

由式(10)可知，種子在負壓的作用下，移向型孔處的有效加速度a主要與型孔處的氣壓差Δp、型孔直徑K、種子被型孔吸附時受到的阻力F、種子受到三葉式輔助充種清換種機構的支持力Q和種子物料特性(κ、m)等有關。充種時，受到三葉式輔助充種清換種機構的作用，產生輔助支持力Q，有利于種子被吸附在型孔上。增大型孔處的氣壓差Δp可以提高種子向型孔處移動的加速度，從而提高充種效果，但是過大的氣壓差將增加機器的能耗與排種器的重播指數。通過排種性能預試驗，確定壓強取值范圍為3～6 kPa。

3 參數優化試驗

3.1 試驗材料與儀器設備

運用JPS-12型排種器性能檢測試驗臺實施臺架試驗，試驗材料為黑農45大豆種子。利用風壓測量儀(加野麥克斯KANOMAXKA31型，精度為0.01 kPa)測量氣室內真空度，試驗裝置如圖8所示。

圖8 排種裝置試驗臺Fig.8 Test bed of seed meter

試驗時，將排種器固定在安裝架上，通過安裝在種床帶電機上的編碼器測量其速度，模擬播種機具作業狀態，編碼器將信號傳遞給控制系統，依據作業速度、株距、隔離帶間距的要求，模擬整個小區作業過程。

3.2 試驗設計與方法

小區育種作業時分為兩個階段：正常排種階段和清換種階段。為了檢測排種器性能及在小區隔離帶處清換種距離，結合實際小區播種作業要求，設定理論株距為35 mm，刮種機構位于上述分析第一象限85°位置，采用三因素五水平二次正交旋轉中心組合試驗方法，按照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》實施試驗，選取真空度、作業速度、清換種時間為試驗因素，以合格指數、重播指數、漏播指數、清換種距離(清換種時間與作業速度和各因素對清換種距離影響修正系數的乘積)為目標函數，試驗因素編碼如表3所示，試驗方案如表4所示，X1、X2、X3為因素編碼值，每組試驗均重復3次，取其平均值作為試驗結果。采用Design-Expert軟件進行數據處理分析。

表3 試驗因素編碼Tab.3 Coding of test factors

表4 試驗方案與結果Tab.4 Test scheme and results

3.3 試驗結果與分析

3.3.1試驗結果

試驗結果如表4所示。

3.3.2模型建立與顯著性檢驗

對試驗結果進行方差分析，結果如表5所示。

表5 方差分析Tab.5 Results of variance analysis

表6 實際值與優化值對比結果Tab.6 Comparison results of actual value and optimal value

根據方差分析可得，排種器的合格指數Y1二次回歸模型極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項P=0.902 3，為不顯著，表明合格指數的回歸模型與實際的播種情況擬合良好；排種器重播指數Y2回歸模型極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項P=0.218 0，為不顯著，表明重播指數的回歸模型與實際的播種情況擬合良好；排種器漏播指數Y3回歸模型極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項P=0.526 1，為不顯著，表明漏播指數的回歸模型與實際的播種情況擬合良好；排種器清換種距離Y4回歸模型極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項P=0.777 8，為不顯著，表明清換種距離的回歸模型與實際的播種情況擬合良好，在上述模型中，剔除模型中不顯著項，得到排種器合格指數、重播指數、漏播指數、清換種距離影響的回歸模型為

(11)

3.3.3各因素對性能指標的影響

(1)對性能指標影響貢獻率分析

參考試驗回歸設計中各因素對指標影響貢獻率計算方法[25]分析可知，各因素對合格指數影響順序由強到弱為：作業速度、真空度、清換種時間；對重播指數影響順序由強到弱為：真空度、作業速度、清換種時間；對漏播指數影響順序由強到弱為：作業速度、真空度、清換種時間；對清換種距離影響順序由強到弱為：作業速度、真空度、清換種時間。

(2)對性能指標影響響應曲面分析

運用軟件分析各因素對性能指標影響效應，采用降維法繪制每組顯著的交互作用分別對合格指數、重播指數、漏播指數、清換種距離影響的響應曲面圖，如圖9～11所示。

圖9 因素交互作用對合格指數影響的響應曲面Fig.9 Effect of interactive factors on qualified index

圖10 因素交互作用對漏播指數影響的響應曲面Fig.10 Effect of interactive factors on missing index

圖11 因素交互作用對重播指數和清換種距離影響的響應曲面Fig.11 Effect of interactive factors on multiple and changing distance index

清換種時間X3處于零水平(0.5 s)時，真空度與作業速度對合格指數影響的響應曲面如圖9a所示，當真空度一定時，排種器合格指數隨著作業速度的增加呈下降趨勢，在作業速度大于6.5 km/h時，隨著作業速度的增加，合格指數下降的趨勢較大；在作業速度一定時，隨著真空度的增加，排種器合格指數呈現先上升后下降的趨勢。作業速度X1處于零水平(5.4 km/h)時，真空度與清換種時間對合格指數的影響如圖9b所示，清換種時間一定時，隨著真空度的增加合格指數呈先上升后下降趨勢；在真空度一定時，隨著換種時間的增加合格指數先上升后下降，但波動范圍較小，合格指數基本恒定。

清換種時間X3處于零水平(0.5 s)時，真空度與作業速度對漏播指數的影響如圖10a所示，當真空度不變時，排種器漏播指數隨著作業速度的增加呈上升趨勢，當作業速度大于6.5 km/h時，隨著作業速度的增加，漏播情況較為嚴重；在作業速度相同的條件下，隨著真空度的增加，排種器漏播指數呈現下降趨勢；作業速度X1處于零水平(5.4 km/h)時，真空度與清換種時間對漏播指數的影響如圖10b所示，清換種時間相同時，隨著真空度的增加漏播指數呈下降趨勢；在真空度相同的條件下，隨著清換種時間的增加漏播指數微小波動，漏播指數基本恒定。表明適當增加機器的負壓可降低排種器的漏播指數。

清換種時間X3處于零水平(0.5 s)時，真空度與作業速度對重播指數的影響如圖11a所示，當真空度一定時，排種器重播指數隨著作業速度的增加基本穩定；在作業速度相同的條件下，隨著真空度的增加，排種器重播指數呈現上升趨勢。清換種時間X3處于零水平(0.5 s)時，真空度與作業速度對清換種距離的影響如圖11b所示，作業速度一定時，隨著真空度的增加清換種距離呈上升趨勢；在真空度相同的條件下，隨著作業速度增加清換種距離呈上升趨勢，隨著作業速度與真空度的增加，清換種距離出現大幅度變化，但都滿足大豆育種隔離帶的距離要求。

3.4 參數優化與驗證

通過上述分析，為了得到排種最佳工作參數組合，遵循行業標準JB/T 10293—2013《單粒(精密)播種機技術條件》要求，根據實際工作條件、作業性能要求，選擇優化目標和約束條件為

(12)

運用Design-Expert軟件中的優化模塊對回歸模型進行求解，在作業速度為4.3～6.5 km/h、真空度3.6～5.4 kPa、清換種時間0.3～0.7 s的條件下，要求合格指數達到最大，重播指數最小，漏播指數最小，清換種距離大于等于500 mm、小于等于600 mm，得到排種器最佳工作參數組合：真空度4.6 kPa、作業速度5.3 km/h、清換種時間0.3 s，此時合格指數為95.29%、重播指數3.29%、漏播指數1.42%、清換種距離554.6 mm。

為了驗證優化分析結果的正確性，在上述求解條件下，以黑農45大豆種子為試驗材料進行驗證試驗，進行10次重復試驗，取其平均值作為試驗結果，得到實際值與優化值對比結果如表6所示。驗證試驗結果表明，優化結果可信。

4 結論

(1)根據大豆小區育種的農藝要求，設計一種基于控制系統指令、以電機為動力源的三葉式自動清換種大豆育種氣吸排種器，實現了在相鄰小區之間的不停機清種、換種和快速充種，該機符合我國小區育種作業模式，在一定程度上解決了我國小區播種機械的瓶頸問題。

(2)提出了充種室和清換種室相互獨立并協同動作的結構形式，設計了三葉式輔助充種清換種機構，通過理論研究與仿真分析，確定最佳葉片傾角φ為13.5°，同時該機構通過對種子施加支持力提高了排種器的充種性能，從而在種子數量較少的情況下，確保試驗種子被排種盤順利可靠地吸附。

(3)各因素對排種器合格指數的影響由大到小依次為：作業速度、真空度、清換種時間；對重播指數影響由大到小依次為：真空度、作業速度、清換種時間；對漏播指數影響由大到小依次為：作業速度、真空度、清換種時間；對清換種距離影響由大到小依次為：作業速度、真空度、清換種時間。最佳工作參數組合為真空度4.6 kPa、作業速度5.3 km/h、清換種時間0.3 s，此時排種器性能最佳，合格指數為95.29%、重播指數3.29%、漏播指數1.42%、清換種距離554.6 mm。